配電光伏網(wǎng)并網(wǎng)逆變器電壓控制策略研究及其實(shí)現(xiàn)

杜長軍 田麗楠 馬文營 張楠 錢葉牛

摘要：為了降低光伏出力提高后易引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓超過上限的問題，提出了一種光伏并網(wǎng)逆變器并聯(lián)時(shí)電壓功率控制策略，并進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)分析。測試各光伏并網(wǎng)逆變器在并網(wǎng)過程中形成的電壓與電流，再利用線路阻抗測試的方法分析線路1和傳輸線路2之間形成的線路阻抗，以此滿足各分布式光伏電源保持并網(wǎng)運(yùn)行的條件。仿真分析結(jié)果得到，在0.1s以內(nèi)時(shí)，二個(gè)并聯(lián)逆變器按照功率均分的形式達(dá)到負(fù)荷的并網(wǎng)運(yùn)行過程;到達(dá)0.1s時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)電流擾動(dòng)的現(xiàn)象，從0.3s開始各項(xiàng)參數(shù)重新轉(zhuǎn)為正常狀態(tài);進(jìn)入0.4～0.6s之間時(shí)，線路1和2都達(dá)到了2.15j0.5kV·A的輸出功率，網(wǎng)點(diǎn)線達(dá)到406V的有效電壓，符合電壓偏差條件。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng);逆變器;電壓控制;仿真分析

中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

ResearchandImplementationofVoltageControlStrategyforGridconnectedPhotovoltaicInverter

DUChangjun，TIANLinan，MAWenying，ZHANGNan，QIANYeniu

（StateGridBeijingElectricPowerCompany，Beijing100031，China）

Abstract：Inordertoreducetheproblemthatthevoltageofgridconnectionpointsexceedstheupperlimitwhichiscoursedbytheincreaseofphotovoltaicoutput，avoltageandpowercontrolstrategyisproposedforthecasethatphotovoltaicgridconnectedinverterisconnectedinparallel，andthesimulationimplementationisanalyzed.Thepaperalsoteststhevoltageandcurrentformedduringthegridconnectionofvariousgridconnectedphotovoltaicinverters，andanalyzesthelineimpedanceformedbetweenline1andtransmissionline2byusingthemethodoflineimpedancetest，soastomeettherequirementsformaintaininggridconnectionoperationofvariousdistributedphotovoltaicpowersupplies.Simulationresultsshowthat，within0.1s，twoparallelinvertersreachthegridconnectedoperationprocessofloadintheformofpowersharing.Whenitreaches0.1s，thesystemwillbedisturbedbycurrent，andallparameterswillreturntonormalstateat0.3s.Whenenteringperiodbetween0.4sand0.6s，theoutputpowerofline1andline2reaches2.15j0.5kV·A，andthenetpointlinereachestheeffectivevoltageof406V，whichconformstothevoltagedeviationcondition.

Keywords：distributionnetwork;inverter;voltagecontrol;simulationanalysis

0引言

采用光伏發(fā)電系統(tǒng)為電網(wǎng)進(jìn)行供電的形式是一種分布式電源的結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢在于不會(huì)造成環(huán)境污染與安裝過程簡易[13]。同時(shí)需注意，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施并網(wǎng)的過程中會(huì)改變?cè)仍O(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，由于光伏發(fā)電存在明顯波動(dòng)性以及間歇性特征，由此引起系統(tǒng)電能質(zhì)量的下降。對(duì)于配電網(wǎng)中的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，隨著光伏滲透率的上升，將會(huì)引起電網(wǎng)產(chǎn)生許多運(yùn)行問題，極大增加了電網(wǎng)運(yùn)行過程的復(fù)雜性，由此降低整體電能質(zhì)量并降低電氣設(shè)備運(yùn)行性能與經(jīng)濟(jì)性，需要對(duì)配電網(wǎng)的此種狀況密切關(guān)注[47]。對(duì)于配電網(wǎng)而言，需要對(duì)線路電阻壓降重點(diǎn)分析，電壓已經(jīng)成為配電網(wǎng)系統(tǒng)中影響電能質(zhì)量的關(guān)鍵問題，由此導(dǎo)致配電網(wǎng)光伏出力受到外部條件的顯著影響，從而使系統(tǒng)故障出現(xiàn)的時(shí)候，引起電網(wǎng)出現(xiàn)電壓越限的結(jié)果[89]。在低壓配電網(wǎng)線路阻抗因素作用下，隨著光伏滲透率的提高，較易造成光伏逆變器發(fā)生并網(wǎng)電壓越限的問題，引起電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的顯著下降，在某些情況下將無法再電網(wǎng)中接入光伏系統(tǒng)[1011]。為克服上述問題，應(yīng)對(duì)光伏逆變器并網(wǎng)電壓質(zhì)量進(jìn)行深入分析，使其可以和傳統(tǒng)電網(wǎng)達(dá)到良好的協(xié)調(diào)狀態(tài)。

為確保分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)各項(xiàng)優(yōu)勢獲得充分發(fā)揮，同時(shí)確保分布式電源配電網(wǎng)運(yùn)行性能獲得更好的提升，應(yīng)對(duì)其并網(wǎng)電壓進(jìn)行有效控制。因此必須進(jìn)行并網(wǎng)性能優(yōu)化已經(jīng)成為當(dāng)前配電網(wǎng)運(yùn)行性能改善的關(guān)鍵內(nèi)容[1213]。對(duì)于配電網(wǎng)而言，當(dāng)線路電阻相比電抗得到的結(jié)果較大時(shí)，將引起饋線潮流方向上出現(xiàn)線路電壓減小的結(jié)果。加入光伏逆變器進(jìn)行并網(wǎng)時(shí)，隨著光伏出力的提高將在并網(wǎng)點(diǎn)處發(fā)生電壓增大的現(xiàn)象，隨著光伏出力提高到設(shè)定值后，更易引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓超過上限的結(jié)果[1415]。

1光伏并網(wǎng)逆變器并聯(lián)時(shí)電壓功率控制策略

1.1線路阻抗匹配時(shí)控制策略

隨著分布式光伏電源的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)連接模式也發(fā)生了快速改變，需采用不同的連接形式達(dá)到并網(wǎng)運(yùn)行的效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定供電過程。為不同發(fā)電單元配備了直流與交流轉(zhuǎn)換器，大電網(wǎng)跟變壓器和交流母線以PCC公共點(diǎn)實(shí)現(xiàn)連接的過程。

將光伏并網(wǎng)逆變器按照并聯(lián)形式進(jìn)行連接并實(shí)施并網(wǎng)處理，本文按照并聯(lián)的方式連接二個(gè)逆變器再探討PQ（U）的電壓功率控制模式。由于在實(shí)際運(yùn)行過程中，一些電網(wǎng)線路會(huì)在長期使用后出現(xiàn)老化，由此導(dǎo)致真實(shí)線路阻抗與設(shè)定線路阻抗明形成明顯差異，考慮到實(shí)際線路的阻抗是未知的，因此本文重點(diǎn)探討了通過本地信號(hào)來預(yù)測線路阻抗的過程，同時(shí)識(shí)別了分布式電源線路的阻抗數(shù)據(jù)，以該線路阻抗為參考計(jì)算得到PQ（U）電壓功率。同時(shí)根據(jù)控制策略給出的電壓功率控制方式探討了線路阻抗匹配與不匹配兩種情況下對(duì)并聯(lián)逆變器實(shí)施電壓功率調(diào)控的方式，同時(shí)合理的監(jiān)控措施保證所有光伏并網(wǎng)逆變器都具備達(dá)到電網(wǎng)電壓偏差要求的并網(wǎng)點(diǎn)電壓參數(shù)。當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)以并聯(lián)運(yùn)行方式形成結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

在光伏并網(wǎng)中，1、2逆變器與傳輸線路形成阻抗的互相匹配，使其滿足R1=R2、X1=X2。現(xiàn)假定在相同時(shí)刻下具有同樣的光伏出力，同時(shí)電網(wǎng)保持恒定的公共耦合點(diǎn)電壓，可以判斷光伏并網(wǎng)逆變器1與2滿足同樣的輸出功率。即保持逆變器具備同樣電壓質(zhì)量的條件下，二個(gè)并網(wǎng)逆變器按照對(duì)功率進(jìn)行均分的方法來達(dá)到共同承擔(dān)負(fù)荷的效果，從而使二個(gè)并聯(lián)逆變器保持并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。得到如下所示的光伏并網(wǎng)逆變器輸出功率如式（1）。

Pref1（i+1）=Pref1i-ΔP′1（i）

Qref1（i+1）=Qref1i-ΔQ′1（i）（1）

式中：i與i+1分別代表之前時(shí)刻和此時(shí)的參數(shù)。

考慮到線路滿足阻抗相互匹配的條件，依次可以利用式（1）計(jì)算出二個(gè)光伏并網(wǎng)逆變器各自對(duì)應(yīng)的棄光量P及其無功補(bǔ)償量Q′。同時(shí)滿足同樣的光伏出力狀態(tài)，由此得到同樣初值的逆變器輸出功率，滿足Pref1（0）/Pref2（0）以及Qref1（0）/Qref2（0），由此達(dá)到二個(gè)并聯(lián)逆變器按照功率均分方式完成并網(wǎng)運(yùn)行的過程。

1.2線路阻抗不匹配時(shí)控制策略

為分析光伏并網(wǎng)逆變器的并聯(lián)運(yùn)行特征，本文選擇二個(gè)逆變器并聯(lián)的方式來分析該條件下的PQ（U）電壓功率調(diào)控模式。將二個(gè)光伏發(fā)電單元進(jìn)行并網(wǎng)得到結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2顯示了處于不匹配線路阻抗情況下的二個(gè)光伏并網(wǎng)逆變器以并聯(lián)方式形成的結(jié)構(gòu)。對(duì)于光伏并網(wǎng)逆變器1、2而言，兩者并未形成相互匹配的傳輸線路阻抗，表現(xiàn)為R1/R2以及X1/X2。假定傳輸線路1比2阻抗更小，可將其表示為R1/R2與X1/X2，結(jié)合之前分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)傳輸線路1比2具備更大的傳輸功率。在同樣的光伏出力條件下，光

伏逆變器1比2發(fā)生電壓越限概率更小。結(jié)合PQ（U）控制策略可知，在并網(wǎng)點(diǎn)的電壓沒有發(fā)生越限的情況下可以獲得恒定的逆變器輸出功率，隨著并網(wǎng)點(diǎn)電壓超過上限后逆變器可以通過自適應(yīng)方式直接去除無用的光伏出力部分。通過對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的合適調(diào)整確保符合電網(wǎng)電壓偏差的狀態(tài)下，逆變器1達(dá)到比逆變器2更大的功率參考值。為有效控制并聯(lián)逆變器輸出功率產(chǎn)生的波動(dòng)性，需要合理控制光伏并網(wǎng)逆變器1與逆變器2具備相同的輸出功率。如下給出了光伏并網(wǎng)逆變器1與2各自對(duì)應(yīng)的輸出功率參考數(shù)據(jù)如式（2）。

Pref2i+1=Pref2i-ΔP′2（i）

Qref2i+1=Qref2i-ΔQ′2（i）（2）

因?yàn)榇藭r(shí)兩光伏出力一致，這使得逆變器具備同樣的輸出功率初始值，將逆變器1輸出功率控制為與PQ（U）控制下的結(jié)果保持一致，從而使二個(gè)并聯(lián)逆變器按照功率均分方式完成并網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)。另外，在同樣的光伏出力運(yùn)行條件下逆變器1具有比傳輸線路2更小的電壓上限差值，通過對(duì)逆變器1的有效控制使其輸出功率發(fā)生降低，從而顯著縮小逆變器1和設(shè)定電網(wǎng)電壓的偏差。

根據(jù)以上分析可知，無論線路阻抗是否達(dá)到相互匹配的狀態(tài)，按照并聯(lián)方式得到的PQ（U）電壓功率控制策略都能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)并網(wǎng)電壓的精確控制并使其符合電壓偏差要求，從而使光伏并網(wǎng)逆變器按照功率均分形式穩(wěn)定運(yùn)行。

2仿真結(jié)果分析

利用逆變器對(duì)各個(gè)分布式光伏電源實(shí)施直流與交流轉(zhuǎn)換，對(duì)于光伏并網(wǎng)逆變器的調(diào)控都按照PQ（U）電壓功率來完成。當(dāng)二個(gè)光伏系統(tǒng)按照并聯(lián)方式構(gòu)成的模型，如圖3所示。

仿真波形結(jié)果如圖4所示。

圖4顯示了依次測試各光伏并網(wǎng)逆變器在并網(wǎng)過程中形成的電壓與電流，再利用線路阻抗測試的方法分析線路1和傳輸線路2之間形成的線路阻抗，根據(jù)測試生成的線路阻抗對(duì)每個(gè)光伏并網(wǎng)逆變器PQ（U）運(yùn)行參數(shù)實(shí)施控制，以此滿足各分布式光伏電源保持并網(wǎng)運(yùn)行的條件。其中，傳輸線路1和2在阻抗方面形成了相互匹配的狀態(tài)，此時(shí)光伏逆變器按照功率均分形式來滿足負(fù)荷的并網(wǎng)運(yùn)行要求。仿真測試了并網(wǎng)點(diǎn)電壓越上限條件下的阻抗匹配狀態(tài)對(duì)逆變器運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生的影響，圖4顯示了與線路阻抗達(dá)到良好匹配狀態(tài)的并聯(lián)逆變器仿真波形。

對(duì)圖4（a）～（c）進(jìn)行分析得到并網(wǎng)點(diǎn)線路1的有效電壓、有功及無功功率;圖（b）～（f）顯示了線路2的各項(xiàng)參數(shù)。在0.1s以內(nèi)時(shí)，各光伏出力都等于2.7kW，同時(shí)逆變器1和2都達(dá)到了2.7kV·A的輸送功率，二個(gè)并聯(lián)逆變器按照功率均分的形式達(dá)到負(fù)荷的并網(wǎng)運(yùn)行過程，由此計(jì)算出并網(wǎng)點(diǎn)的有效電壓等于412V。到達(dá)0.1s時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)電流擾動(dòng)的現(xiàn)象，總共保持0.2s，之后啟動(dòng)阻抗觀測環(huán)功能來分辨?zhèn)鬏斁€路阻抗，從0.3s開始各項(xiàng)參數(shù)重新轉(zhuǎn)為正常狀態(tài)。進(jìn)入0.4s～0.6s之間時(shí)，選擇PQ（U）控制方式，保持恒定光伏出力與負(fù)荷狀態(tài)下，線路1和2都達(dá)到了2.15j0.5kV·A的輸出功率，同時(shí)獲得電網(wǎng)出力-3.8+j1.1kV·A，此時(shí)網(wǎng)點(diǎn)線達(dá)到406V的有效電壓，符合電壓偏差條件。

3總結(jié)

1）測試各光伏并網(wǎng)逆變器在并網(wǎng)過程中形成的電壓與電流，再利用線路阻抗測試的方法分析線路1和傳輸線路2之間形成的線路阻抗，以此滿足各分布式光伏電源保持并網(wǎng)運(yùn)行的條件。

2）在0.1s以內(nèi)時(shí)，二個(gè)并聯(lián)逆變器按照功率均分的形式達(dá)到負(fù)荷的并網(wǎng)運(yùn)行過程;到達(dá)0.1s時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)電流擾動(dòng)的現(xiàn)象，從0.3s開始各項(xiàng)參數(shù)重新轉(zhuǎn)為正常狀態(tài);進(jìn)入0.4s～0.6s之間時(shí)，線路1和2都達(dá)到了2.15j0.5kV·A的輸出功率，網(wǎng)點(diǎn)線達(dá)到406V的有效電壓，符合電壓偏差條件。

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（收稿日期：2019.11.27）